張鐘遠(yuǎn)，陸治斌，徐世光,3，隗錦濤，吳雄,鄭筏坤

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,昆明 650093；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,貴陽 550004；3.云南地礦工程勘察集團(tuán)公司，昆明 650041)

貴州省已查明的煤炭資源保有儲量居全國第5位 ，含煤面積占總面積的40%以上[1]。魚洞河煤礦區(qū)是貴州省黔東南州主要產(chǎn)煤地，礦山密集、歷史悠久、開采強度大。隨著煤礦產(chǎn)業(yè)的高效益發(fā)展，煤炭開采對水環(huán)境造成的影響，如地表水減少、地下水污染、水土資源環(huán)境改變等也伴隨著整個開采過程[2-3]。由于歷史原因，自 20世紀(jì)80年代開始的近20 a中，魚洞河流域的煤礦開采處于無序狀態(tài)，造成水質(zhì)嚴(yán)重污染[4]。而大規(guī)模煤礦開采帶來的尾礦堆積、廢渣冶煉和酸性礦井水的排泄等加劇了區(qū)域水環(huán)境的重金屬污染，成為煤炭開采面臨的重要環(huán)境問題之一[5-6]。

隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，我國土壤環(huán)境問題日益凸顯，其中重金屬是農(nóng)田土壤的主要污染物。全國土壤污染調(diào)查顯示，我國耕地土壤重金屬點位超標(biāo)率為19.4%，以Cd污染程度最重，超標(biāo)率為7.0%[7-8]。與其他有機化合污染物相比，重金屬在自然環(huán)境中更為富集、持久、不可逆，特別是進(jìn)入水體后，除一小部分游離于水體外，絕大部分可以通過與有機物、黏土礦物和硫化物等的絡(luò)合作用吸附于沉積物中，當(dāng)環(huán)境因素(如pH、Eh、生物擾動等)發(fā)生變化時，沉積物中重金屬會被再次釋放，對水體造成二次污染[9]。它還將通過食物鏈轉(zhuǎn)移到動物和人類，這將嚴(yán)重影響地表水資源的正常生產(chǎn)和利用。因此，研究水環(huán)境中重金屬污染的特征具有重要意義。

本文針對貴州省凱里市魚洞河流域內(nèi)煤礦集中開采區(qū)的礦井水水化學(xué)特征分析，掌握煤礦區(qū)地表水體重金屬污染遷移特征，為煤礦產(chǎn)地制訂合理的污染控制措施，減少煤礦污染物向水體的遷移以及改善煤礦開采區(qū)水環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)．

1 水文地質(zhì)概況

魚洞河流域總體西高東低，地表水受地形控制，泡木河、平路河為重安江的二級支流自西向東流，先匯入魚洞河，然后進(jìn)入重安江。區(qū)內(nèi)地下水流向受地形地貌控制整體自西向東徑流，魚洞河與重安江的交匯處為該區(qū)地下水最低排泄基準(zhǔn)面，高程563 m。魚洞河流域上游地形相對較緩，第四系覆土相對較厚，且分布較為連續(xù)，下游平路河、泡木河兩側(cè)地形切割較強烈，坡度相對較陡，第四系覆土相對較薄，且分布不連續(xù)，多分布于緩坡、洼地、河谷地帶。區(qū)內(nèi)以碳酸鹽巖分布為主，碎屑巖分布為輔，碎屑巖區(qū)將魚洞河流域劃分為東、西兩個巖溶含水系統(tǒng)。中部碎屑巖為相對的隔水巖組，富水性弱，碳酸鹽巖為相對的含水巖組，富水性中等。東部巖溶含水系統(tǒng)地層巖性主要為二疊系棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)灰?guī)r，西部巖溶含水系統(tǒng)地層巖性主要為寒武系婁山關(guān)組(∈3l)白云巖、奧陶系桐梓組(O1t)白云巖、紅花園組(O1h)灰?guī)r、二疊系棲霞組(P2q)、茅口組(P2m)灰?guī)r。東部巖溶含水系統(tǒng)范圍內(nèi)分布大量的煤礦，分布較多的廢棄礦井，地下水主要以礦井、暗河、巖溶大泉等方式排泄，礦井排泄的地下水多被污染，呈酸性。地下水主要以暗河、巖溶泉點等方式排泄。

2 樣品采集與分析

分別在各個煤礦區(qū)采集典型的礦井水樣一共14件，其水化學(xué)分析結(jié)果如表1所示。

表1 礦井水樣水化學(xué)分析結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 礦井水水化學(xué)基本特征

由表1可以看出，水樣pH值變化范圍為2.65～6.74，其中KJ02、KJ04為中性水；KJ13為弱酸性水；其余均為強酸性水?？傆捕确秶?46.18～1 869.95 mg/l之間，均值為 761.05 mg/l，最大值出現(xiàn)在半坡煤礦的樣品點KJ07 。

圖1 礦井水Piper三線圖

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析的水質(zhì)指標(biāo)與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)[11]進(jìn)行對比后可分析出礦井水水質(zhì)類型(表2)，從表中可以看出，除了KJ02的礦井水屬于Ⅳ類之外，其余的礦井水均屬于Ⅴ類水。煤礦山重金屬污染主要為鎘(Cd)污染，在樣品分析中發(fā)現(xiàn)，KJ07與KJ10中的鎘(Cd)濃度超過了Ⅴ類水的限值(>0.01 mg/l)，其中KJ07鎘(Cd)濃度為0.017 mg/l，KJ10鎘(Cd)濃度為0.012 mg/l。

表2 礦井水水質(zhì)分類統(tǒng)計表

3.2 礦井水污染途徑分析

3.2.1 礦井水環(huán)境

研究區(qū)礦層頂板為二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)灰?guī)r，巖溶管道極其發(fā)育，富水性強；底板為泥盆系上統(tǒng)堯梭組(D3y)白云巖，發(fā)育溶隙及溶孔，富水性較強；礦層為二疊系中統(tǒng)梁山組(P2l)炭質(zhì)頁巖、煤層、鋁土巖、粘土巖夾砂巖，為隔水巖層。

在未開采礦產(chǎn)資源前，梁山組(P2l)將棲霞組(P2q)含水層和堯梭組(D3y)含水層阻隔，這兩套含水系統(tǒng)未發(fā)生越流，棲霞組(P2q)和堯梭組(D3y)地下水通過巖溶排泄點排泄，均未受到污染。但在礦產(chǎn)資源開發(fā)的過程中，大多采用洞采的開采方式，大量開采礦產(chǎn)資源后形成了采空區(qū)，造成了采空區(qū)與礦層頂板的二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)灰?guī)r和底板的泥盆系上統(tǒng)堯梭組(D3y)白云巖直接接觸，使得采空區(qū)將上下兩套含水系統(tǒng)形成連通區(qū)，致使地下含水系統(tǒng)發(fā)生越流[12-13]。

3.2.2 典型礦山地下水污染分析

礦層頂板(棲霞組)泉點S1(圖2)水體清澈透明，無明顯可見物，但見周圍巖石被侵染為黃褐色。礦層頂板(棲霞組)泉點S3(圖3)清澈透明，無色無味，無巖石侵染情況，為周圍居民集中式飲用水源點。礦層(梁山組)出水點S2(圖4)由兩個出水點匯集，水體透明，但有鐵銹味，可見匯水區(qū)周圍及溝底有黃褐色沉淀物。涌水礦井(KJ03)水體半透明狀，呈米黃色可見周圍巖石有黃褐色沉淀侵染情況(圖5)。

圖2 礦層頂板泉點(S1)

圖3 礦層頂板泉點(S3)

圖4 礦層出水點(S2)

圖5 涌水礦井(KJ03)

當(dāng)煤礦開采形成采空區(qū)后，礦層頂板含水系統(tǒng)(二疊系中統(tǒng)棲霞組巖溶水)與礦層底板含水系統(tǒng)(泥盆系上統(tǒng)堯梭組巖溶水)成一聯(lián)通體系，頂板地下水通過礦層(二疊系中統(tǒng)梁山組)時，溶解、水解礦層中的礦物質(zhì)(黃鐵礦、菱鐵礦)并搬運、遷移至底板地下水中，造成底板承壓水也受到污染。

為評價該礦山開采對地下水的影響，特取得礦層頂板(P2q)泉水水樣(編號S1、S3)，礦層(P2l)泉水水樣(編號S2)，礦井涌水水樣(編號KJ03)，再布置平路河上游及下游斷面取樣分析(上游斷面編號H2，下游斷面編號H1)，共取得6件水樣進(jìn)行試驗分析(表3)。

表3 魚洞煤礦斜井菱鐵礦礦區(qū)水質(zhì)分析統(tǒng)計表

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，再詳細(xì)分析各水樣中各離子的濃度，根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)對各水樣質(zhì)量作出評價。

Fe離子主要來源于煤礦中黃鐵礦(FeS2)和菱鐵礦(FeCO3)的水解。如圖6所示，礦層頂板泉水水樣中Fe離子濃度分別為S1=7.60 mg/l，S3=0.05 mg/l，S1水樣中Fe離子濃度超過Ⅴ類水限值(2 mg/l)3.8倍，說明礦層頂板含水層因礦產(chǎn)資源的開發(fā)造成礦井水的倒灌而受到污染，而與S1同屬礦層頂板的S3的Fe離子濃度值較低，說明S1與S3是不同的補徑排系統(tǒng)。而與S2和KJ03直接接觸的梁山組則直接影響到該巖層水的化學(xué)性質(zhì)，造成Fe離子濃度嚴(yán)重超標(biāo)的結(jié)果。沿河一系列礦井水及淋濾水匯入到平路河，造成Fe離子濃度的升高，所以平路河下游(H1)Fe離子濃度相對于上游(H2)較高。但是下游又相較于礦井水Fe離子濃度較低，是由于礦井水流出后，由于氧化還原電位(Eh)的升高，pH值回升，水中溶解氧增多，使得Fe離子沉淀，從而導(dǎo)致河流中的Fe離子濃度要低于礦井水中Fe離子濃度。

圖6 Fe離子濃度柱狀圖

圖7 硫酸根離子濃度柱狀圖

表4 硫酸根離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)統(tǒng)計表

圖8 pH值柱狀圖

特別注意的是S3水樣中錳離子的含量為1.096 mg/l，超過了地下水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值(0.10)而分類為Ⅳ類水，已不能作為居民飲用水水源。

綜上所述，魚洞煤礦斜井菱鐵礦由于礦產(chǎn)資源的開發(fā)，采空區(qū)的形成破壞了原有的隔水層，致使原有含水系統(tǒng)遭受破壞。礦層頂板地下水入滲到采空區(qū)內(nèi)，入滲水體溶解、水解礦層中的礦物質(zhì)成分導(dǎo)致部分離子大量富集而形成污染水體，采空區(qū)污染水體隨礦井巷道排泄到地表水，造成地表水體的污染，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，同時采空區(qū)內(nèi)的污染水體還進(jìn)入到礦層頂板的地下水體中，頂板地下水也遭受到污染，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳铒嬘谩?/p>

3.2.3 礦井水污染地下水途徑

根據(jù)地下水體的賦存因素不同，可將礦井水污染地下水的途徑分為3種，分別是采空區(qū)水體自身受污染、礦井水污染頂板含水層水體、礦井水污染底板含水層水體(如圖9礦井水污染示意圖)。

圖9 礦井水污染示意圖

圖10 梁山組礦層涌水礦井(KJ11)

礦井水污染頂板含水層水體：當(dāng)?shù)V井水充水較多，水位較高，使其具有一定的承壓性，從而部分礦井水能夠進(jìn)入頂板棲霞組灰?guī)r的含水系統(tǒng)中，直接污染頂板含水層水體(圖11)。

圖11 礦層頂板水礦井(KJ06)

礦井水污染底板含水層水體：在礦產(chǎn)資源中，當(dāng)梁山組底部的鋁土礦層及菱鐵礦層被“打穿”，致使采空區(qū)與礦層底板的堯梭組白云巖中的溶隙、溶孔連通，從而礦井水進(jìn)入底板含水系統(tǒng)，造成底板含水系統(tǒng)的污染(圖12)。

圖12 礦層底板涌水礦井(KJ09)

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)礦井水pH值變化范圍為2.65～6.74，其中KJ02、KJ04為中性水；KJ13為弱酸性水；其余均為強酸性水。

(2) 該區(qū)礦井水陽離子主要為鈣離子，陰離子主要為硫酸根。 主要特征為堿土金屬離子大于堿金屬離子，強酸根大于弱酸根。 水化學(xué)類型主要為 SO4-Ca 型水。

(4) 污染地下水途徑有3種分別為：采空區(qū)水體自身受污染、礦井水污染頂板含水層水體、礦井水污染底板含水層水體。